KR200207225Y1 - 광촉매를 이용한 다중청정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공장 및 자동차등에서 발생하는 인체에 유해한 SOx, NOx 및 휘발성 유기 물질(VOC, Volatile Organic Compound)등의 배기가스 및 폐수를 정화하기 위한 장치에 관한 것으로, 광촉매와 정화시켜야 할 배기가스 및 폐수와의 접촉면적을 최대한으로 크게 하고 광촉매로 전달되는 자외선양을 많게 하여 광분해 효율을 극대화시키고, 폐수처리에 사용되는 광촉매 분말의 회수 과정과 같은 부수적인 공정을 없애서 간단하고 편리하게 작동하는 정화장치 제작을 그 목적으로 한다.

이를 위해 본 발명은 가) 석영봉(5, 105) 표면에 광촉매인 티타니아(TiO2) 졸 및 실리카 졸을 코팅한 후, 열처리에 의하여 티타니아 및 실리카를 초미립 상태로 석영봉 표면에 견고하게 결합시키고, 나) 상기의 석영봉(5, 105)은 폐수의 흐름에 의한 압력을 견디어 낼 수 있도록 5 ~ 30mm의 직경을 갖으며 한쪽 끝면(21)에는 경면처리가 되어 있고, 다) 상기의 석영봉(5, 105)은 자외선 램프(4, 104) 주변에 방사선 형태로 분포되어 있어 석영봉에 코팅된 광촉매(22, 23)가 최대한으로 넓은 면적을 차지하도록 되어 있고, 라) 상기의 자외선 램프(4, 104)에 가장 가까운 주변에 설치된 석영관(11, 111)이나 지그(7)에도 광촉매가 코팅되어 있어 자외선을 최대한으로 활용하는 것에 의하여 광분해 효율을 극대화할 수 있게 설계되어 있는 것을 포함한다.

이와 같이 자외선 램프 주변의 지그나 석영관에 코팅된 광촉매에 의해 광분해시키는 작용과 석영봉에 코팅된 광촉매에 의한 광분해의 2중적인 광분해 작용에 의해 광촉매 효율을 높여 단위 시간당 처리되는 배기가스 및 폐수의 양을 높이고, 코팅되어 있지 않은 광촉매 분말의 회수 과정과 같은 부수적인 공정을 없애서 정화장치가 간단하고 편리하게 작동되어 손쉽고 효율적으로 깨끗한 공기와 물을 얻을 수 있어 쾌적한 환경을 유지할 수 있다.

Description

광촉매를 이용한 다중청정장치 {Photocatalytic Multiple Reactor}

본 발명은 공장 및 자동차등에서 발생하는 인체에 유해한 SOx, NOx 및 휘발성 유기 물질(VOC, Volatile Organic Compound)등의 배기가스 및 폐수를 정화하기 위한 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 배기가스 및 폐수의 배기라인중의 일부에 광촉매로 코팅된 석영봉 및 지그를 설치하고 여기에 자외선 광선의 조사를 통하여 배기가스 및 폐수를 다중으로 정화하는 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

광촉매를 이용하여 유해가스를 분해하는 방법은 다음과 같이 크게 3가지로 분류할 수 있다.

(1) 분말상태로 유해가스를 분해하는 방법 : Dibbe에 의해 발표된 논문 Dibbe, L.A., Raupp, G. B., Catal. Letters, 4, p.345(1990)에서 나타낸 바와 같이 분말을 반응기 안에 넣고 반응기 주변에서 자외선 광선을 조사하여 반응기를 통과하는 유해가스를 정화시키는 방법으로 시스템은 비교적 간단하나 분말이 가스와 함께 이동하므로 별도로 분말을 회수하는 장치가 필요하다는 단점이 있다.

(2) 분말을 하니컴(Honeycomb) 세라믹 위에 코팅하는 방법 : Sauer에 의해 발표된 논문 Sauer, M. L., Ollis, D. F., J. Catal., 149, p.81 (1994)에서 나타낸 바와 같이 분말을 하니컴 세라믹 위에 코팅하고 그 주변에 자외선 빛을 조사하면서 통과하는 유해가스를 정화시키는 장치로 광분해 효율이 우수한 장점이 있으나 광분해를 일으키는 광촉매는 자외선 램프에 인접한 영역에서만 국한되어 이루어지므로 자외선 램프 주변을 제외한 부분의 광촉매는 기능을 발휘하지 못하여 광분해 효율을 극대화시킬 수 없다는 단점이 있다.

(3) 분말을 유리 튜브 내부에 코팅하는 방법 : Alberci and Jardin에 의해 발표된 논문 Alberich, R. M., Jardin W.F., Applied Catal. B.:Environ, 14, p.55 (1997)에서 나타낸 바와 같이 광촉매 분말을 유리로 만든 튜브 내부에 코팅하고 그 중심부에 자외선 램프를 설치하여 자외선 광선을 조사하면서 통과하는 유해가스를 정화시키는 장치로 광분해율이 높으면서 꽤 안정한 작동상태를 유지한다. 그러나 본 시스템도 유리튜브 내부에 코팅된 광촉매에 의해서만 광분해가 이루어지므로 가스와 접촉하는 면적이 적게 되어 광분해 효율을 극대화 시킬 수 없다는 단점이 남아있다.

그러므로 광촉매로 코팅된 부분을 가능한 범위에서 넓은 면적에 걸쳐 분포시켜 광분해 효율을 증대시키기 위한 많은 시도들이 제시되었다. 이에 관련된 종래기술로는 미국특허 제 5,875,384호에서 공개된 것이 있다.

동 특허공보에는 광섬유에 광촉매를 코팅하여 케이블 형태로 만들어서 스페이서(Spacer)에 형성된 홈에 고정시키고 광섬유의 한쪽 끝을 경면처리한 후 여기에 자외선 광선을 조사하는 상태에서 배기가스나 폐수를 흘려 이를 광분해시는 방법을사용하고 있다. 이 방법에 의하면 광섬유에 코팅된 광촉매가 넓은 면적에 걸쳐서 분포하므로 광분해 효율이 가장 높은 상태인 광촉매 분말 현탁액에서의 효율과 거의 동일한 높은 값을 갖는다. 그러나 이 방법은 얇은 직경의 광섬유를 케이블로 만들기 위하여 스페이서 홈에 광섬유를 여러개 모아서 삽입해야 하는 어려운 과정이 필요하며, 광촉매로 코팅된 광섬유의 한쪽 끝부분에 자외선을 가해주어 광촉매에 참가하는 자외선은 광촉매 내부에서 산란되는 자외선만을 사용하므로 전체 광분해량이 그리 많지 않으며, 얇은 두께의 광섬유를 모아서 케이블로 만든 관계로 강도가 다소 낮다는게 문제점으로 지적되고 있다.

따라서 본 발명의 주된 목적은 상기한 바와 같이 코팅등의 방법으로 광촉매를 모재에 고착시켜서 번거로운 별도의 회수 공정을 제거시키며, 광촉매를 반응기안에서 최대한으로 넓게 분포시키고 자외선을 효율적으로 사용하여 광효율을 극대화시키며, 광촉매로 코팅된 모재가 충분한 강도를 가져 폐수의 수압에도 견딜 수 있으며, 제작이 용이한 배기가스 및 폐수 처리장치에 관한 방법을 제공하는데 있다.

제1도는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광촉매를 이용한 다중청정장치의 단면도

제2도는 제1도에 도시된 광촉매를 이용한 다중청정장치의 측면도

제3a도는 제2도에 도시된 석영봉 고정용 1차 지그의 단면도

제3b도는 제2도에 도시된 석영봉 고정용 2차 지그의 단면도

제4도는 광촉매로 코팅된 석영봉에 자외선이 굴절 및 산란되는 과정을 나타내는 개략도

제5도는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광촉매를 이용한 다중청정장치의 단면도

제6도는 제5도에 도시된 광촉매를 이용한 다중청정장치의 정면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1, 101...배기가스 및 폐수 배기관 2...자외선 램프 고정용 지그

3...석영봉 세트 고정용 지그 4. 104...자외선 램프

5, 105...광촉매로 코팅된 석영봉 6, 106...석영봉 고정용 화스너

7...석영봉 고정용 1차 지그 7a...석영봉 고정용 1차 지그 상부

7b...석영봉 고정용 1차 지그 하부 8...석영봉 고정용 2차 지그

9...1차 석영봉 세트 10...2차 석영봉 세트

11, 111...석영관 16...석영봉이 설치된 홈

17...배기가스 및 폐수 통과용 홈 21...경면 처리된 석영봉 전면

22...실리카 23...티타니아

24...굴절된 자외선 25...산란된 자외선

31...입구 32...출구

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 가) 석영봉 표면에 10 ~ 1,000nm 크기의 초미립 티타니아 및 실리카 졸을 코팅한 후, 열처리에 의하여 티타니아 및 실리카를 초미립 상태로 석영봉 표면에 견고하게 결합시키고, 나) 상기의 석영봉은폐수의 흐름에 의한 압력을 견디어 낼 수 있도록 5 ~ 30mm의 직경을 갖으며 한쪽 끝면에는 경면처리가 되어 있고, 다) 상기의 석영봉은 자외선 램프 주변에 방사선형태로 분포되어 있어 석영봉에 코팅된 광촉매가 최대한으로 넓은 면적을 차지하도록 되어 있고, 라) 상기의 자외선 램프에 가장 가까운 주변에 설치된 석영관이나 지그에도 광촉매가 코팅되어 있어 자외선을 최대한으로 활용하는 것에 의하여 광분해 효율을 극대화할 수 있게 설계되어 있는 것을 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광촉매를 이용한 다중 청정장치의 개념이 도시된 단면도로서 원통형의 배기관안에 자외선 램프(4)를 배기관에 수직하게 설치하였다. 가) 석영봉(5) 표면에 10 ~ 1,000nm 크기의 초미립 티타니아 및 실리카 졸을 코팅한 후, 열처리에 의하여 티타니아 및 실리카를 초미립 상태로 석영봉표면에 견고하게 결합시키고, 나) 상기의 석영봉(5)은 폐수의 흐름에 의한 압력을 견디어 낼 수 있도록 5 ~ 30mm의 직경을 갖으며 한쪽 끝면에는 경면처리가 되어 있고, 다) 상기의 석영봉(5)은 자외선 램프(4) 전후에 석영봉 고정용 지그(7, 8)에 의해 고정된 상태로 경면 처리된 석영봉 면(21)이 자외선 램프에 가깝게 1세트씩 총 2세트 설치 되어 있고, 라) 상기의 석영봉 고정용 지그(7, 8)중에서 자외선 램프(4)에 가장 가까운 곳에 설치되어 있는 석영봉 고정용 1차 지그 상부(7a)에 광촉매가 코팅되어 있고, 마) 상기의 자외선 램프(4)를 보호하는 석영관(11) 표면에도 광촉매가 코팅되어 있는 구조이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

배기가스 및 폐수가 석영봉 고정용 2차 지그(8)에 형성된 홈중에 석영봉이 삽입되지 않은 홈(17)을 통하여 1차 석영봉 세트(9)로 들어와서 석영봉(5) 표면에 코팅되어 있는 광촉매(22, 23)에 흡착되면서 석영봉을 통해 전달된 자외선 램프(4)에 의해 광분해 된다. 석영봉 고정용 1차 지그(7)에 형성된 홈중에서 석영봉이 삽입되지 않은 홈(17)을 통하여 배기가스 및 폐수가 1차 석영봉 세트에서 빠져 나와 자외선 램프(4) 전후에 설치된 석영봉 고정용 1차 지그 상부(7a)에 코팅되어 있는 광촉매에 의하여 또다시 광분해 된다. 그리고 자외선 램프(4)를 보호하는 석영관(11)에도 광촉매가 코팅되어 있어 배기가스 및 폐수를 또 한번 광분해 시킨다. 그리고 여기서도 광분해 되지 않은 물질은 2차 유리봉 세트로 이동하여 석영봉에 코팅되어 있는 광촉매에 의하여 마지막으로 광분해 된다.

따라서, 상기와 같이 광촉매가 석영봉과 지그와 석영관에 코팅되어 있고 자외선 램프와 배기관 사이의 반응공간에 최대한으로 분포되어 있어 배기가스 및 폐수를 다중으로 광촉매와 반응시켜 빠른 시간에 다량의 처리가 가능하므로 정화장치의 처리용량을 향상시킬 수 있다.

도5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광촉매를 이용한 다중 청정장치의 개념이 도시된 단면도로서 원통형의 배기관안에 자외선 램프(104)를 배기관에 평행하게 설치하였다. 배기관(101)에 평행하게 설치된 자외선 램프(104)와 상기한 자외선 램프의 외부에 설치된 석영관(111)의 외경부에 광촉매가 코팅되어 있고, 상기한 석영관(111) 외부에는 석영봉(105)들이 방사선 형상으로 분포되어 있으면서 배기관에 고정되어 있고, 상기한 석영봉(105)은 광촉매로 코팅되어 있으며 자외선 램프(104)를 향한 면은 경면 처리되어 있어 자외선을 효율적으로 석영봉 내부로 전달할 수 있게 되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다

배기가스 및 폐수가 입구(31)를 통하여 반응기 안으로 들어오고 석영봉(105)과 석영관(111)에 코팅되어 있는 광촉매에 의하여 흡착되면서 자외선 램프(104)에 의하여 광촉매가 활성화 되고 그에 따라서 배기가스 및 폐수가 광분해 된다. 광촉매는 반응기의 공간에 대하여 최대한 넓게 분포되어 있으며 그로 인하여 광촉매에 의해 흡착 및 광분해 되는 양이 많아지게 된다. 광분해 작용은 자외선의 강도에 의해서도 영향을 받으므로 배기관의 내부에 광촉매를 코팅하여 광분해를 일으키면 광분해 성능이 별로 높지않아 본 발명에서는 배기관의 내경부위에 광촉매를 코팅하지 않았다.

따라서, 상기와 같이 광촉매가 석영관에 코팅되어 있고 석영관 주변에 방사선 형태로 분포된 석영봉에도 코팅되어 있어 자외선 램프와 배기관 사이의 반응공간에 최대한으로 분포시킨 결과 배기가스 및 폐수가 빠른 시간에 다량 처리되어 정화장치의 처리용량을 향상시킬 수 있다.

도4에 본 발명의 핵심적인 역할을 수행하는 광촉매로 코팅된 석영봉의 개략도를 나타내었다. 입자 크기가 10 ~ 1,000nm 내에 존재하는 초미립 티타니아 졸과 실리카 졸을 99.9:0.1 ~ 50:50 비율로 혼합하였고, 혼합된 졸 용액을 잘 교반시켜 균일한 용액을 만들었으며 여기에 석영봉을 넣었다가 일정한 속도로 서서히 끌어올리는 딥 코팅법을 사용하였다. 코팅된 석영봉을 50 ~ 150℃ 온도에서 건조시켜 다시 200~800℃의 온도에서 열처리를 하여 코팅된 광촉매가 모재의 석영봉과 견고하게 결합이 되도록 만든다.

본 발명과 같이 배기가스 및 폐수 배기라인중의 일부에 광촉매로 코팅된 석영봉과 지그를 설치하고 여기에 자외선 광선을 조사하여 배기가스 및 폐수를 정화하는 장치를 사용하면 앞에서 언급한 종래의 방법에 비해 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다. (1) 상기에서 언급한 바와 같이 분말 상태의 광촉매를 사용하지 않고 코팅을 하여 사용하므로 배기가스 및 폐수를 정화하는 과정에서 번거롭게 분말을 별도로 회수해야 하는 공정이 없어져 사용하기에 간편하고 편리하며, (2) 광촉매가 보다 넓은 면적에서 다중으로 배기가스 및 폐수와 접촉하게 되어 광분해 특성이 우수하게 되어 정화되는 배기가스 및 폐수의 양이 많아지며, (3) 석영봉을 석영봉 고정용 지그에 삽입하여 고정시키는 간단한 원리를 사용하였으므로 비교적 용이하게 장치제작을 할 수 있고, (4) 석영봉이 두꺼운 관계로 고강도를 유지하는 우수한 배기가스 및 폐수 다중 청정장치가 된다.

Claims (2)

1. 광촉매를 이용한 배기가스 및 폐수의 다중 청정장치에 있어서,

   배기가스 및 폐수의 배기관(1)과, 상기 배기관 내의 소정 부분에 설치된 자외선램프(4)와, 상기 램프의 앞뒤에 위치하는 석영봉(5)에 있어서 자외선 램프에 가까운 부분의 면(21)을 제외한 모든 부분 석영봉의 면에 광촉매가 코팅(22, 23)되어 있고 자외선 램프(4)에 가까운 부분의 면(21)은 자외선이 효율적으로 전달될 수 있게 경면으로 가공처리되어 있는 석영봉(5)과, 상기 석영봉(5)을 다발로 고정시키기 위하여 다수의 홈(16, 17)들이 형성되어 있는 석영봉 지지용 1차 지그(7) 및 2차 지그(8)와, 상기 지그(7, 8)중에 자외선 램프에 가까운 면인 석영봉 지지용 1차 지그 상부(7a)에 광촉매가 코팅되어 있고 자외선 램프에서 먼쪽에 있는 면에는 광촉매가 코팅되어 있지 않은 석영봉 지지용 1차 지그(7)와, 자외선 램프에서 먼 곳에 위치하고 광촉매가 없는 석영봉 지지용 2차 지그(8)와, 상기 1·2차 지그(7, 8)를 고정시키기 위하여 유해가스 배기관(1)과 1·2차 지그(7, 8) 사이에 위치한 석영봉 세트 고정용 지그(3)와, 상기 석영봉(5)을 상기 1·2차 지그(7, 8)에 고정시키는 석영봉 고정용 화스너(6)로 이루어진 광촉매를 이용한 다중 청정장치
2. 제1항에 있어서, 배기가스 및 폐수의 원통형 배기관(101)과, 상기한 배기관(101)의 내경에 방사선 형태로 석영봉(105)을 삽입할 수 있도록 형성된 원형 홈(106)과, 상기한 원형 홈(106)에 고정시킨 광촉매로 코팅된 석영봉(105)과, 상기한 석영봉(105)의 한쪽 끝면이 경면 처리되어 있고, 상기한 배기관(101)의 중앙 부위에 설치된 자외선 램프(104)와, 상기한 자외선 램프(104)의 외곽에 설치된 광촉매로 코팅되어 있는 석영관(111)으로 이루어진 광촉매를 이용한 다중 청정장치